受大河影响的陆架边缘海通常具有高陆源输入、高初级生产力、高沉积速率和高埋藏效率等特点，是陆源有机碳(OC)的重要埋藏场所，也是研究有机碳保存及埋藏的天然试验场。近年来，随着流域人类活动的不断加剧，尤其是水库等水利工程的大量建设，使得河流入海沉积物通量显著降低。一方面，这直接导致与沉积物共存的颗粒OC的来源和入海通量显著变化；另一方面，入海泥沙减少还导致河口及邻近陆架区的沉积环境发生改变，引发底床沉积物的侵蚀粗化。在此背景下，河口-陆架区的沉积有机质来源、组成及时空格局必然发生剧烈改变。
图-1 不同密度组分、不同粒径组分沉积有机碳以及铁结合有机碳的分离提取过程示意图
近年来，邹欣庆教授课题组通过系列研究发现，流域工程建设导致的入海泥沙通量减少显著改变了长江河口-东海内陆架区的沉积环境，沉积物颗粒明显粗化，且表现为“北粗南细”的空间格局（Wang et al., 2020a）。沉积环境转变导致沉积OC含量总体呈现显著下降趋势，空间格局由“南北均匀”转变为“北低南高”，OC沉积通量减少了48%（Wang et al., 2020b, 2022）。此外，由于陆源OC供给不足，沉积物在由河口向南部泥质区搬运过程中，表面吸附的“较老的”陆源OC降解，从而为“年轻的”海源OC提供了更多的吸附点位，致使研究区沉积OC表现为“年轻化”趋势（Wang et al., 2024）。然而，目前这些研究多关注OC的整体性质，我们无法知晓不同组分OC对沉积环境转变的响应过程与机制，进而限制了我们对研究区沉积OC命运的深入理解。
因此，本研究尝试从不同OC形态的视角出发，通过对长江河口-东海内陆架区表层沉积物的OC进行形态分离，主要包括颗粒态OC（LPOC，HPOC），矿物结合态OC（MAOC）和铁结合态OC（Fe-OC），分析其OC含量和δ13C (图1)。结合沉积物的基本理化参数，对比前人已发表数据，探讨研究区不同形态OC对沉积环境转变的响应机制，总结不同形态OC对沉积环境转变的响应模式，以准确理解长江河口-东海内陆架区沉积环境转变过程中有机碳的保存机制。
图-2 长江河口-东海内陆架区表层沉积物中不同形态OC的空间分布格局; (a) TOC含量；(b) 颗粒态OC含量；(c) 矿物结合态OC含量；(d) 铁结合态OC含量；(e)活性铁含量；(f) 颗粒态OC占比；(g) 矿物结合态OC占比；(h) 铁结合态OC占比；(i) δ13CTOC值；(j) δ13CPOC值；(i) δ13CMAOC值；(j) δ13CFe-OC值。
研究结果显示，不同形态OC在长江口-东海内陆架的空间格局存在很大的差异（图2）。POC主要聚集在河口区而MAOC则被大量输运至泥质区 (图2f,g)。而Fe-OC呈现出在泥质区的占比较低，在非泥质区占比较高的空间格局(图2h)。POC，MAOC与Fe-OC的δ13C在总体上呈现了由陆向海逐渐降低的趋势(图2j,k,l)，体现出海源输入对POC，MAOC与Fe-OC的影响逐渐变大。通过与前人研究数据的对比，在沉积环境转变的影响下POC含量略有增加，而MAOC含量下降了约20% (图3)。这是因为POC与MAOC对沉积环境转变的响应主要受到陆源输入与水动力的综合控制。陆源输入的MAOC含量降低，并在向南的运输过程中受到再悬浮作用的影响增加了MAOC暴露于氧气的时间，并因此提高了MAOC分解和矿化的风险。此外，在水动力的影响下，POC和MAOC在长江口中发生明显的分选现象(图2b,c), 破坏了河口区域有机碳稳定性的平衡。
图-3 沉积环境转变影响下POC和MAOC的时空格局变化; (a)前人研究和本次研究数据的采样点对比图; (b)前人研究和本次研究中各种OC形态的比较; (c)前人研究和本次研究中长江口-东海内陆架不同区域POC与MAOC含量的比较; (d) 前人研究和本次研究中长江口-东海内陆架不同区域POC与MAOC占比的比较。
而值得注意的是，Fe-OC对沉积环境转变的响应与前者不同，Fe-OC的含量与水动力参数没有直接的关系。通过与前人研究数据的对比，在沉积环境转变的影响下活性铁(FeR)的含量显著下降，但是Fe-OC含量却明显上升(图4a,b)。这是Fe-OC对沉积环境的转变主要受初级生产力以及氧化还原环境的影响。陆源FeR输入的减少以及初级生产力的增加使得FeR结合OC的机制从吸附转变为共沉淀，这增加了Fe-OC的含量但是降低了Fe-OC的稳定性(图4a,b)。而长江口与泥质区频繁的氧化还原环境进一步削弱了活性铁对有机碳的保存作用(图4e,f)。
图-4 沉积环境转变影响下FeR, Fe-OC和OC/Fe的时空格局变化;（a-c）FeR、Fe-OC、OC/Fe与经度之间的关系;（d-f）FeR、Fe-OC、OC/Fe与纬度之间的关系。
图-5长江口-东海内陆架区沉积环境转变下不同有机碳组分的变化模式；(a)POC和MAOC;（b）Fe-OC。
本研究为沉积环境转变后不同OC形态的变化总结出了一个模式(图5)：流域的剧烈变化导致陆源OC和FeR的输入减少以及河口初级生产力的增加；长江口与泥质区再悬浮作用增强导致POC与MAOC的分选与加快了OC 的分解；FeR与OC结合机制的改变降低了OC 的稳定性。这些变化都削弱了OC在长江口-东海内陆架的保存能力。虽然本研究的区域在长江口-东海内陆架区，但这种模式并不局限于该区域。全球三角洲在陆源沉积物输入急剧减少和区域波浪增强的共同作用下，通常面临着潜在退化的风险。例如，山东半岛边缘海域的侵蚀事件影响了OC的组成特征，珠江口沉积物再悬浮作用增加了OC矿化速率等。本研究中提出的模式可能在东亚、地中海和墨西哥湾沿岸等河流主导的被动大陆边缘中被发现。本研究为沉积环境的转变对OC保存影响的机制开辟了新的视角。
上述研究成果于2024年10月30日以“Divergent Responses of Organic Carbon to Sedimentary Environment Transformation in a River‐Dominated Marginal Sea”为题发表于《Journal of Geophysical Research-Biogeosciences》（https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024JG008034）。bwinbwin硕士生张卓越为论文的第一作者，邹欣庆教授和王成龙助理教授为论文共同通讯作者。合作作者包括海南师范大学邱彭华教授、bwin博士廖启杭、博士生张楚楚、硕士生陆铭以及华东师范大学河口海岸科学研究院硕士生林冰盈。该研究得到了江苏省自然资源创新项目、国家自然科学基金青年项目、中央高校基本科研业务费项目、江苏省研究生科研与实践创新计划和海南省院士创新平台及其专项研究基金等的联合支持。
论文信息：
Zhang, Z., Lu, M., Wang, C., Zhang, C., Lin, B., Liao, Q., et al. (2024). Divergent responses of organic carbon to sedimentary environment transformation in a river‐dominated marginal sea. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences,129, e2024JG008034. https://doi.org/10.1029/2024JG008034
Wang, C., Hao, Z., Feng, Z., Zhang, C., Gao, J., Li, Y., ... & Zou, X. (2020a). Rapid changes in organochlorine pesticides in sediments from the East China Sea and their response to human-induced catchment changes. Water Research, 169, 115225.
Wang, C., Hao, Z., Gao, J., Feng, Z., Ding, Y., Zhang, C., & Zou, X. (2020b). Reservoir construction has reduced organic carbon deposition in the East China Sea by half since 2006. Geophysical Research Letters, 47(17), e2020GL087357.
Wang C. L., Zhang C. C., Wang Y. M., Jia G. D., Wang Y. P., Zhu C., Yu Q. and Zou X. Q. (2022) Anthropogenic perturbations to the fate of terrestrial organic matter in a river-dominated marginal sea. Geochimica Et Cosmochimica Acta 333, 242-262.
Wang, C., Zhang, C., Zhang, Z., Liao, Q., Zhang, Y., Wang, N., ... & Zou, X. (2024). Molecular and radiocarbon constraints on the fate of sedimentary organic carbon in a human-impacted river-dominated ocean margin. Marine Geology, 473, 107322.